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1. 确定总体方案
在某煤气/焦碳生产企业中，为了把握工艺规律和控制参数，按比例制作了一台模拟炼焦炉，其中的煤炭采用电阻丝进行加热。要求控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度，一旦B点温度超过允许值，就应该发出报警信息、并停止加热。
根据设计任务的要求，采用8031单片机系统组成的数字控制器代替常规模拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过A/D转换采集由温度传感器反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。此外，系统还应实现人机接口功能。系统总体框图如图1所示。
图1 模拟炼焦炉温度控制系统总体框图
2. 系统硬件设计
按前面的总体设计方案，该系统硬件的设计包括以下几个部分。
⑴ 人机接口电路
本系统允许用户根据需要随时改变系统的工作状态和控制参数，为此设置了4位LED显示和相应的操作键盘，并由专用控制芯片8279实现与CPU的接口。采用8279后，可以节省CPU用于查询键盘输入和管理显示输出的时间，降低了对CPU处理速度的要求，同时也减少了软件工作量。
⑵ 温度测量电路
热电偶用来检测炉温，将温度值转换为毫伏级的电压信号。为便于信号远距离传送，采用温度变送器，把热电偶输出信号转换为4～20毫安的电流信号，在接收端再经I/V变换使之变成适于A/D转换的电压信号。
在系统中，采用多路复用方式对两路热电偶信号、冷端补偿信号和标准电压信号进行A/D转换。系统运行过程中，定期对标准电压进行采样，以修正A/D转换器的灵敏度、保证测控精度。为提高系统抗干扰能力，在多路转换开关的控制电路A/D转换电路的数字部分中还采用了光电隔离措施。
⑶ 温度控制电路
电阻丝由过零触发型的双向可控硅整流电路驱动，通过调节加热阻丝上的平均电压来控制加热功率，最终达到控制炉温的目的，其原理见图2。MOC3021是可控硅型光电隔离器件，它只能触发小功率可控硅。因此，本系统中通过MOC3021控制双向可控硅BCR1，再由BCR1控制主电路的双向可控硅BCR2。
图2 加热控制电路
电路中采用的过零触发型双向可控硅的特性如图3所示，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才被关断。针对这一特点，本系统采取了控制在M个电网周期内可控硅导通的周期数m(0≤m≤M)的方法来控制输出平均电压。为简单起见，可以使控制运算所得控制量u和实际导通周期数m直接对应，即
 （1）
同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到CPU的中断请求输入端，以提供触发参考点和控制周期M的计数信号。需要注意的是，同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的，以保证触发信号的同步。
图3 过零型双向可控硅的触发特性
⑷ 单片机基本系统
单片机是整个系统的核心，它负责协调、控制系统的各个部分完成规定的功能。在设计系统时，除充分利用8031CPU的各种内置资源外，还扩展了8K的程序存储器2764(EPROM)和2K的数据存储器6116(RAM)。
过零同步信号接到8031CPU的外部中断输入端 上，在中断服务程序中进行触发控制和控制周期计数；外部中断 用于8279的中断请求管理，在中断服务程序中处理键盘输入。
另外，为了软件简便和节省资源起见，可以选择采样周期T为电网周期的整数倍，这样采样工作和控制运算就可以在同步信号中断服务程序中进行，而不必安排另外的定时器进行采样/控制运算周期定时了。
电阻炉温度控制系统的硬件原理框图见图4。
图4 模拟炼焦炉温度控制系统
3. 控制算法设计
⑴ 系统数学模型
在本系统中，把可控硅整流电路、模拟炼焦炉、温度变送器统一地作为被控对象。
理论分析和实验结果证明，电阻炉是一个具有自衡能力的对象，可以近似为一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联。与电阻炉的时间常数相比，系统中的温度变送器、可控硅电路等环节的时间常数可以忽略不计，因此被控对象的传递函数为
 （2）
其中，被控对象的输入为可控硅整流电路的输出电压，输出为炉内的A点的温度所对应的I/V电路输出电压。被控对象的各参数可采用飞升曲线法通过实验来确定，各参数含义如下：
Td—电阻炉的惯性时间常数；
τ—电阻炉的纯滞后时间；
Kd—被控对象放大系数，是温度变送器、触发放大环节、可控硅调压电路及电阻炉的比例系数的乘积。
综上所述，模拟炼焦炉温度控制系统的数学模型如图5所示。注意，虽然没有在硬件上设置专门的零阶保持器，但由于可控硅一旦触发导通即可保持到电网电压过零，相当于内含零阶保持器。
图5 模拟炼焦炉温度控制系统数学模型
⑵ 控制器设计
针对被控对象具有纯滞后环节的特点，采用大林算法设计数字控制器进行控制。由于对象为带有纯滞后的一阶惯性环节，所以设计时不必考虑振铃现象。
根据控制要求和特点，确定闭环系统的时间常数Tτ和采样周期T，并由τ=NT确定N(N为整数)。数字控制器的输入为误差e、控制输出为u，可得数字控制器的脉冲传递函数为
 （2）
其对应的差分方程为
 （3）
4. 软件设计
温度控制系统软件包括主程序、采样定时中断程序、数字滤波程序、非线性校正程序、控制运算和控制输出处理程序、键盘管理程序等。
⑴ 主程序
主程序完成硬件初始化、变量初始化等任务，然后循环检测炉内B点温度，如图6所示。若发现B点温度超限，则断开控制输出、屏蔽采样定时中断，然后通过发光二极管发出报警信号，并等待用户处理后重新复位，或在温度下降至安全值后再重新启动控制。
图6 主程序框图
⑵中断服务程序
在这个程序中，进行A点温度的采样、控制运算、输出触发控制等。设采样周期为n个电网周期(即T=n×20ms)，控制输出周期为M个电网周期，则中断服务程序框图如图7所示。
图7 中断服务程序框图
⑶ A/D转换子程序
在该程序中，采用多路复用方式对选定通道(A点或B点)的热电偶信号、冷端补偿信号进行A/D转换，以获取和实际温度对应的数字量。另外，还要对标准的电压信号进行A/D转换，以修正A/D转换器的精度。
⑷ 数字滤波子程序
采用一阶滞后算法进行数字滤波，以消除噪声干扰。
⑸ 非线性校正子程序
热电偶输出的电压信号与被测温度之间呈非线性关系，因此将热电偶的温度一电压特性以表格形式存入EPROM，进行测控时采用插值算法求出温度检测数字量滤波结果对应的实际温度值。
⑹中断服务程序
当用户压下任意按键时，均产生中断，并在该中断服务程序中解释、处理用户的键盘操作。在本系统中，允许用户设置B点温度报警限、A点温度变化曲线等。
⑺ 控制运算子程序
该子程序实现控制规律，如图8所示。由于期望温度是曲线形式的，在该子程序中还要根据用户输入的温度曲线数据和程序运行时间，计算出当前时刻的温度给定数值。
图8 控制运算子程序框图
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